本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
警告：系外行星可能看起来比实际质量小（图片来源：Eysteinn Guðni Guðnason 和 NASA/开普勒）
系外行星可能令人困惑。最近，我们看到了美国宇航局开普勒任务的一个里程碑式公告，确认在一颗类太阳恒星的宜居带中存在一颗行星。这颗行星，开普勒-22b，直径是地球的 2.4 倍，这在系外行星术语中大致将其归为“超级地球”类别。因此，出现了关于“类地”行星的激动人心的头条新闻。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
但事实是，这个尺寸的行星几乎毫无疑问地比地球重得多，许多评论员都指出了这一事实。那么，为什么我们不能确定它的质量呢？问题在于，开普勒用来寻找行星的技术仅仅测量了当行星（通过偶然的几何排列）在其母星和我们的视点之间穿过时所阻挡的光量。这产生了行星的半径或直径，而不是它的质量。要估计行星的质量，最好的方法是尝试测量行星的引力拖拽在其恒星上引起的“摆动”。或者，可以寻找系统中其他行星凌星发生的时间的变化（如果它们被探测到）——这也泄露了关于这些行星质量相互拉扯的信息。同样有可能，如果在一个系统中探测到多颗行星，可以通过模拟轨道动力学来推断行星的真实质量，以找到整个系统稳定的必要条件。
但是，对于像开普勒-22b 这样遥远世界的单次探测，目前我们只能猜测它实际的质量可能是多少。然而，这些猜测是基于一些相当复杂的推理，这里的关键术语是“行星质量-半径关系”。用最简单的话来说，假设我们知道一颗行星是由什么化合物组成的——为了论证起见，我们假设它完全由碳组成。然后，我们可以应用我们对碳物理学（以固态形式）的了解来计算所有这些碳的重力如何将自身挤压成一个行星球，以及对于不同质量的碳，这个球的半径可能是多少。我们知道碳在某种程度上是可压缩的，特别是如果你在它上面堆放一个行星质量的东西，所以我们必须考虑到这种可压缩性。我们通过所谓的状态方程来做到这一点，这与告诉你需要向轮胎中充入多少空气才能达到一定压力的公式完全相同，具体取决于天气有多热或多冷。
对于真实的行星来说，这样做当然要复杂得多。压力下的物质表现出多种方式，化合物的相态可能会发生变化（例如，像液体变成固体，反之亦然），并且行星很可能是多层结构的。我们实际上也不知道系外行星的成分到底是什么，尽管我们可以做出一些相当好的有根据的猜测来开始。考虑到所有这些因素，天文学家和行星科学家投入了大量精力来计算这一切可能会如何发展，因此我们可以开始对像开普勒-22b 这样的行星的可能质量做出一些有根据的猜测。
这里有一个行星质量随行星半径变化的例子，在这种情况下，借鉴了 Fortney、Marley 和 Barnes 在 2007 年 的工作，以及 Gillion 等人在 2007 年 的工作。这并非最终定论，因为物理学本身存在不确定性，并且 Seager 等人 等其他优秀研究会给出略有不同的答案。但这足以了解开普勒-22b 的大致范围。
行星半径与质量的关系，适用于一系列可能的成分——从铁到“岩石”到冰，再到氢气和氦气的大气层。红色虚线显示了开普勒-22b 的 2.4 个地球半径（图片改编自 C. Scharf，《系外行星与天体生物学》，大学科学出版社，并在帖子中给出了来源）。
……而且它并不完全漂亮。事实上，即使开普勒-22b 完全由纯水冰构成，它的重量也将是地球质量的 5 倍左右。如果考虑到更可能的冰和岩石的混合物，那么它的质量将超过地球质量的 10 倍。如果它的成分与地球相似，那么我们看到的将是一个质量超过地球质量约 40 倍的世界——到那时，所有“类地”的报纸头条新闻都应该被火焰吞噬。
开普勒-22b 对于开普勒任务来说仍然是一个了不起的成果，但下次你照后视镜时，请记住，物体可能真的比它们看起来的质量更大。